25、廊坊分院完井所]盐穴井筒及腔体密封检测技术的研究及应用

1、第六届全国石油钻井院所长会议论文集盐穴井筒及腔体密封检测技术的研究及应用袁光杰 申瑞臣 田中兰 袁进平（中国石油勘探开发研究院廊坊分院完井所，065007）【摘 要】 良好的密封性是盐穴储气库工程建设的基本目标之一，如何检测和评价盐穴井筒及腔体密封性能是储气库工程建设的重点攻关内容。笔者分析了国内外在盐穴储气库密封性检测技术方面的研究现状，总结了影响盐穴井筒及腔体密封性能的主要因素，提出了以氮气或空气为介质的盐穴井筒及腔体密封检测方法，给出了相应的密封评价标准，以现场a-1和a-2盐穴井为实例，详细分析了密封检测方法的应用效果，给出了两口井的密封评价结果。研究成果对保证西气东输盐穴储气库工程建

2、设质量和运行安全具有重要意义。【关键词】 盐穴储气库 密封 西气东输 标准金坛盐穴储气库作为西气东输管线的配套建设工程，直接影响到西气东输管线的运行安全和应急调峰能力。盐穴储气库的密封性能不仅直接决定了盐穴能否储存天然气，还关系到储气库周围居民的生命财产安全。盐穴储气库密封检测及评价技术是一项涉及到多学科的复杂技术，导致盐穴井密封失效的因素多（如盐岩层特性、夹层及盖层特性、井深结构、固井工艺、注采工艺等），密封失效机理复杂。为了尽早发现盐穴井筒和腔体中存在的密封隐患，及时作出决策和采取有效措施，避免事故的发生，特开展盐穴储气库密封检测及评价技术的研究。笔者分析了国内外在盐穴密封检测及评价技术方

3、面的研究现状，总结了影响盐穴储气库密封性能的主要因素，提出了以氮气或空气为介质的井筒密封检测方法，制定了了相应的密封评价标准，并分析评价了密封检测方法和评价标准在现场a-1和a-2井的应用效果。1 国内外研究现状在盐穴储气库的密封性检测及评价技术领域，国外从20世纪八十年代就开始进行大量研究并得出了多种成果。其中van fossan1与van fossan和whelpy2详细论述了盐穴井密封测试的技术要点和必要性，提出采用液体泄漏测试方法进行密封检测，并给出了这种测试方法的准确度；heitman3给出了一组案例用以说明现场使用氮气检测盐穴密封性中遇到的问题；vrakas4讨论了关于美国战略石油

4、储备中的盐穴完整性计划；diamond5提出了采用“淡水卤水界面法”监测腔体密封性，将淡水注入盐穴腔体，任何淡水和卤水界面的向上移动均会导致井口压力的下降，并且可以将测试井的压力变化与参考井（充满卤水）的压力变化进行对比。基于上述思想，p.berest6等人随后提出了“燃料油卤水界面法”；thiel7提出了测量界面所在区域横截面直径的精确方法，解决了氮气泄露测试方法中的实质问题。crotogino8提出了盐穴储气库最小可检测泄漏率与最大允许泄漏率的标准。1998年smri组织了一个技术团队对盐穴的密封检测现状进行了一个综合评估。总结国外研究成果，可以发现目前国外在盐穴储气库密封检测技术方面主要

5、有两类方法，测试原理如下（如图1所示）：1.1 气体泄漏测试方法该方法主要是通过向测试管柱和生产套管之间的环空中注入氮气或空气，并使气水界面深度位于生产套管鞋以下的腔体脖颈处。在测试管柱中下入界面测量仪器或专用测试工具，测试时间间隔为72小时。气水界面的向上移动暗示了气体的泄漏，通过地面井口的压力测量以及温度测井可以精确计算出气体的泄漏量。液体卤水气体界面测井仪器p1p2p1p2 （a）气体泄漏测试方法 (b)液体泄漏测试方法图1 盐穴储气库密封性检测方法1.2 液体泄漏测试方法利用液体进行腔体泄漏的测试方法更多应用在欧洲。该方法是向测试管柱和生产套管之间的环空中注入燃料油，燃料油与卤水的界面

6、深度达到生产套管鞋以下的腔体脖颈处。测试过程中，需要在井口详细的记录卤水及燃料油的压力，如果压力出现下降，则表明出腔体存在泄漏。另外，测试完后可以回收燃料油并测出其体积，用以和测试前注入的燃料油体积进行对比。国内对盐穴储气库密封检测技术的研究起步较晚，相关的技术研究报道比较少9，主要的技术及理论尚需在实践中进一步完善和丰富。2 盐穴储气库密封性影响因素分析储气库是否能够储存天然气，并在气库运行过程中不发生泄漏，主要决定于地质因素、钻井工程因素和注采工艺三个因素。下面就其中几项主要因素进行分析：2.1 岩盐层特性10一般说来，被地层覆盖的岩盐是一种极难于被渗透的岩石，孔隙度很低。盐层的实际渗透率

7、只有10-22m2，即使盐层中含有一定量的不溶物或夹层，其渗透率也在10-20m210-19m2之间。在密封测试过程中，卤水压力要比盐层的孔隙压力大很多，因此必定导致部分卤水渗透到盐层中去。假设球形腔体的半径r为30m，卤水的粘度为1.210-3pas，卤水压力pi与孔隙压力ppore的压差为10mpa，盐层的渗透率k为10-20m2，则有达西定律可以计算出卤水的相对损失率：经计算，值为-10-5/年，也即在上述条件下，10万m3的盐腔的卤水损失率约为每年1m3，表明盐岩层本身的密封性能是良好的。2.2 盖层及夹层密封性储气库的盖层是否存在断裂、盖层岩性是否均一、盖层的扩散能力、夹层的密封性能

8、对气库是否密封起着重要作用。根据三维地震资料解释成果及实际的钻井资料发现，金坛盆地直溪桥凹陷盐岩层埋深适中（9751200m），地层平缓，构造较简单，相对稳定；气库范围内断层发育带均为压性断层，断裂裂缝少，为2条/km2，断距不大，断层两侧岩性为泥质岩或盐岩，具有良好的密封性；金坛盐穴储气库的盖层岩性均属泥质岩，泥质平均含量50%，所含矿物中最主要的是粘土矿物，平均占25%。盖层的扩散能力弱，渗透率低，突破压差大，具有很好的封闭能力；金坛盆地盐岩层内有710个稳定的泥岩夹层。经过对夹层样品分析发现：（1）夹层岩性塑性条件好；（2）毛管压力高，岩性致密；（3）通过夹层的甲烷气体扩散量可忽略不计。

9、完井试压表明，在最大厚度的泥岩夹层段地层承压25mpa未破裂。综合上述分析认为金坛盆地盐穴储气库的盖层及夹层具有良好的密封性。2.3 井身结构及固井工艺由于盐穴井筒未来将用于高压储气运行，结合金坛地质条件，设计采用20m左右的导管封堵地表含水层和疏松岩层，用600m左右的表层套管封堵易漏的玄武岩地层，生产套管则采用3sb气密封螺纹，进入盐层30m左右以提高盐穴井筒的密封性。另外注采管柱及井口的配置对气库运行过程中的井筒密封性影响非常大。在固井方面，表层套管采用内插法固井工艺进行固井，以提高表层固井质量；生产套管则采用jss低温早强稳定性好的半饱和盐水水泥浆进行固井，以保证套管鞋处的水泥固结质量

10、，增强井筒的密封性。3 密封检测方法及评价标准图2 盐穴储气库密封检测方法原理图综合分析文献中报道的多种盐穴储气库密封检测及评价方法的优缺点，提出一种利用气水界面深度变化绝对数值和气体泄漏率随时间变化趋势来联合评价盐穴井筒及腔体密封性的方法。3.1 密封检测方法向井腔中下入一套试压管柱（如图2所示）；安装可以坐挂试压管柱的试压井口；向井腔中注入适量的饱和卤水，使腔内卤水压力达到指定压力；下入气水界面测井仪器，使其下深至生产套管鞋以下的腔体脖颈处；向试压管柱和生产套管之间的环空中注入气体，当气水界面深度达到生产套管鞋以下10m位置，且生产套管鞋处气体的压力达到储气库最大运行压力的1.1倍时，停止

11、注入气体。保持整个系统温度平衡810h后，通过补注气体使气水界面深度重新回到生产套管鞋以下10m的位置。每隔1小时记录井口各测试仪表读数、油水界面深度数值、测试时间，连续测压24h。其中气水界面深度可以通过界面测井来控制，井腔温度可通过测井方式来获得。本方法的测试介质为氮气（或空气）。测试中生产套管鞋测试压力、注入饱和卤水体积、注入氮气（或空气）体积、井口环空注气压力、井口测试管柱内压力、气体泄漏量均可根据气井井底压力计算理论和气体状态方程进行计算。3.2 评价标准根据井口压力表读数和气水界面深度变化数值，计算出气体泄漏率随时间的变化趋势。然后根据以下评价标准对气库的密封性进行评价：（1）气体

12、泄漏率随时间的变化趋势是逐渐减小的，并在测试时间内达到一个稳定的值；（2）测试时间内气水界面深度变化小于1m。如果检测结果能够同时满足上述两条标准，则认为腔体密封性是合格的；如果检测结果不满足标准（1），则认为腔体密封性是不合格的；如果检测结果满足标准（1），但不满足标准（2），即气水界面深度变化大于1m，则可通过延长测试时间或者根据现场具体情况来具体判定腔体密封性是否合格。上述密封检测方法及评价标准同国外api方法和geostock方法相比，其吸收了api方法测试原理简单、能够明确气体泄露位置、测试成本低的优点，同时吸收了geostock方法评价结果科学准确的优点，克服了api方法评价结果不

13、准确，geostock方法测试时间长、成本高等缺点。4 现场应用图3 b1井测试时间内气体泄漏率随时间的变化本文提出的盐穴储气库密封检测方法已经在我国第一个盐穴储气库群江苏金坛地区14口盐穴井筒和6口盐穴腔体中应用，下面以其中两口井为例说明其应用效果。b1盐穴腔体试压基本参数：（1）套管鞋深度940.83m；（2）盐腔顶界959.5m；（3）腔体容积约160，000m3；（4）生产套管244.5mm套管940.83m；（5）气库最大运行压力14mpa；（6）井口测试管内压力4.0mpa；（7）井口环空注气压力13.9mpa；（8）注入饱和卤水体积420m3；（9）注入空气体积3995sm3（标

14、况下立方米）；（10）生产套管鞋处最大测试压力为15.4mpa；（11）试压介质为空气。图4 b2井测试时间内气体泄漏率随时间的变化试压结果表明24h内b1盐穴腔体气水界面深度变化最大值为0.118m。b1盐穴腔体泄漏率随时间的变化趋势是逐渐减小的，并最终稳定在0值附近（如图3所示），因此判定b1盐穴腔体密封性完好，可以进行下一阶段注气排卤工作。b2盐穴井筒试压基本参数：（1）套管鞋深度1010m；（2）盐腔顶界987.6m；（3）生产套管244.5mm套管1010m；（4）注气环空容积25.73m3；（5）气库最大运行压力17mpa；（6）井口测试管内压力6.8mpa；（7）井口环空注气压力

15、16.8mpa；（8）注入空气体积4811sm3（标况下立方米）；（9）生产套管鞋处最大测试压力为18.7mpa；（10）试压介质为空气。试压结果表明18h内b2盐穴井筒气水界面深度变化最大值为5.86m，后延长测试时间至32h，气水界面深度变化值增大到10.1m。b2盐穴井筒泄漏率随时间的变化趋势如图4所示。根据测试结果可以判断b2盐穴井筒生产套管鞋以下的盐层裸眼段存在渗漏区域，可能是泥岩夹层本身或泥岩与岩盐交接面处的存在渗漏。该井的后期作业尚需进一步的论证。5 结论（1）盐穴井筒及腔体密封检测技术是地下盐穴储气库工程建设中的一项关键技术，直接影响到储气库的安全运行和投资效益。（2）影响盐穴

16、井筒及腔体密封性的因素非常多，且影响机理复杂，尚需进一步研究。（3）提出的盐穴井筒及腔体密封检测方法具有简单易行，测试精度高等特点，现场应用证明，此方法可以适应盐穴储气库工程建设的需求。（4）盐穴井筒及腔体密封性检测技术尚需进一步丰富，例如密封检测方法的理论基础，界面检测工具等需要进一步的研究。参考文献1 van fossan, n.e. the characterization of mechanical integrity for cased boreholes entering solution caverns. proc. 6th int. symp. on salt, salt in

17、stitute, 1983(2): 1111202 van fossan, n.e. and whelpy, f.v. nitrogen as a testing medium for proving the mechanical integrity of wells. proc. smri fall meeting, 1985, housto3 heitman, n.a. experience with cavern integrity testing using nitrogen gas. proc. smri spring meeting, 1987, tulsa4 vrakas, j.

18、j. cavern integrity testing on the spr program. proc. smri spring meeting, 1988, mobile5 diamond, h.w. the water-brine interface method, an alternative mechanical integrity test for salt soultion mining wells. smri fall meeting, 1989, san antonio6 berest, p., bergues, j., brouard, b., durup, g. and guerber, b. a tentative evaluation of the mit. proc. smri fall meeting, 1996, houston7 thiel, w.r. precision methods for testing the integrity of soultion mined underground storage caverns. proc. 7th symp. on salt，elsevi